高应力软岩大断面巷道刚性支架 注浆加固支护技术.doc

高应力软岩大断面巷道“刚性支架+注浆加固”支护技术河南神火煤业公司梁北煤矿 巷道围岩控制是矿井开采首先要解决的问题之一，近年来，随着矿井开采深度的增加，其中巷道围岩位于软岩岩层中的巷道逐年增加，巷道埋深逐年递增。而软岩开挖后，由于其围岩变形速率快、围岩变形量大，且变形持续时间长、巷道底鼓严重、围岩整体稳定性差、很难维护且支护成本高等因素，给煤矿的生产、安全造成很大影响。根据21采区西回风下山支护过程中的实际情况，分析了原有支护形式中存在的问题以及巷道的变形机理后，采用锚网索喷、U型棚支护+滞后注浆加固联合支护方式，有效地控制了巷道围岩的变形破坏，取得了良好的支护效果。一、工程概况：21采区西回风下山最深埋深为-806m，布置在二1煤下部，掘进过程中迎头岩性为炭质泥岩、一17煤层、砂质泥岩、L8灰岩。21采区西回风下山会有地质构造存在，根据以往超前探钻资料及21采区西回风下山、21采区皮带下山，21采区西回风下山剩余巷道施工至结束可能有地质构造存在，褶皱不甚发育，仅在单斜构造上沿走向发育了些小的起伏或次级褶皱。对巷道掘进会造成影响的含水层为太原组上段灰岩含水层、太原组下段灰岩含水层、寒武系灰岩含水层。寒武系灰岩含水层上距设计巷道底板最小距离为38.3m。该含水层岩溶裂隙较发育，富水程度强，属于典型的深部高应力软岩巷道。二、破坏机理：巷道最大埋深为-800m，岩性差，巷道顶板为泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，具有强度低和松散破碎的特点，巷道埋深大、地压强，地质构造复杂。在这样的条件下，锚杆的可锚性差，托盘上的岩石被压碎，锚杆实际阻力偏低，导致围岩体处于流变状态没有得到有效控制。巷道掘进过程中围岩应力重新分布，软岩或极软岩巷道每次修复后支护受力和变形有所减小，支护让压不够，刚强不足，多次落底、挑顶翻修造成松动圈逐渐扩大，随着时间推移变形压力又迅速增大，出现屡修屡坏的现象。巷道变形量大，尤其在过断层后，顶板软岩黑矸区域，顶底板相对位移量较大达到350mm,为保证通风断面需进行挑顶维修。巷道围岩变形持续时间较长，该巷道岩体具有明显的流变性，巷道在每月观察中均存在锚索压折或锚杆盘压掉的现象，巷道围岩的稳定性并没有得到有效的控制巷道初期变形量较大，巷道建成初期，一周之内巷道收缩量达到400mm，不能起到应有的支护效果。图1. 巷道变形观测图三、巷道支护方案依据原有巷道的支护分析，确定采用“锚网索喷+U型棚支架+滞后注浆”联合支护方式来控制巷道围岩的稳定性，该支护方案的优化在于滞后注浆，滞后注浆支护是在锚网喷支护和全封闭钢支架支护的基础上通过注浆锚杆注入浆液，巷道围岩能够保持较大的残余注浆压力，大幅改善围岩的应力状态，同时较高的注浆残余压力的浆液充满到围岩裂隙、锚杆与锚网的间隙及深部的裂隙区形成了高密度锚杆、固结浆液和浅部岩体的骨架结构，扩大了承压范围。1根据矿压资料的分析、巷道层位关系和工程类比法确定:巷道采用锚网喷+锚索梁+U36钢棚+锚索梁+注浆的联合支护方式。锚网喷+锚索梁为一次支护，U36钢棚+锚索梁+注浆为二次加固支护。21采区西回风下山支护断面为U36钢棚支护断面。一次支护净断面为：净宽×净高=5700mm×4350mm，二次支护净断面为：净宽×净高=5000mm×4040mm；巷道掘进断面S掘=21.9m²，巷道支护S净=17.5m²。2.永久支护参数的确定：根据工程需要一次支护断面为净宽5700mm×净高4350mm半圆拱形断面，二次加固采用规格为5000mm×4040mm的U36钢棚支护。根据工程需要一次支护断面为净宽5700mm×净高4350mm半圆拱形断面，二次加固采用规格为5000mm×4040mm U36钢棚支护。锚杆支护利用工程类比法及现场经验选择端锚固法加固顶板，按加固拱原理计算：锚杆长度：=（1.1+W/10）=1.2×(1.1+5.8/10)=2.02m，取3m。式中：N围岩稳定性影响系数，取1.2m；W巷道跨度；锚杆直径：=L/110=0.019m=19mm，取20mm。锚杆间距：d<0.5L=0.5×2.04=1.02m，间距取0.7m。锚杆排距：d<0.5L=0.5×2.04=1.02m，排距取0.7m。根据以上计算：一次支护采用20mm×3m右旋等强锚杆，间排距700×700mm，K2360和Z2360锚固剂各一卷进行锚固，6钢筋网，12mm钢筋梯子梁。顶部施工5排锚索托梁（由巷中向两侧均匀布置），间排距1.4m×1.4m，锚索21.6mm×12m，每根锚索采用一卷K2360和三卷Z2360进行锚固，托梁采用12#工字钢加固，梁长2.3m，喷C15砼，厚度50mm。二次支护采用U36钢棚，棚腿扎角1.5°，棚距700mm（搭接600mm、使用3道卡缆）均匀布置5道筋笆力，背棚时预埋3排T型灌浆管，间排距3.0m×2.8m，拱顶向两侧均匀布置。架U36钢棚后，采用6排锚索托梁锁棚，间排距2.1m×1.4m，锚索为21.6mm×12m，每根锚索采用一卷K2360和三卷Z2360进行锚固，托梁采用12#工字钢加固，梁长2.3m。锚索梁施工后，进行喷C15砼，厚度以覆盖U36钢棚外沿为准。喷浆后方可进行灌浆加固，灌浆时先底部后拱顶，灌浆使用425#水泥，水灰比(质量比1.25:11：1)，灌浆压力不得小于1.5Mpa。巷道灌浆后，进行注浆加固。一次注浆采用26×2000mm注浆锚杆，间排距2.5×2.8m；二次注浆采用26×2800m注浆锚杆，间排距2.5×2.8m，注浆采用425#水泥，水灰比（质量比1.42:1），注浆压力不得小于3.5Mpa；注浆顺序由巷底至拱顶。图2.二次支护断面图四、“锚网索喷+U型棚支架+滞后注浆支护施工顺序 放炮掘进临时支护支护锚杆、锚索初喷50mm厚砼架U型棚补打加固锚索复喷100mm厚砼滞后架棚20m开始灌浆滞后灌浆地点15m开始施工注浆锚杆并进行注浆封闭。五、施工机具及设备1、打锚杆、锚索孔机具：MYF-125/330型液压钻机。2、注浆设备及相应技术参数：ZBYSB8.32.5/2715型煤矿用液压注浆泵。 图3.设备外观图表1.参数表排浆流量0-9.3 m³/h排浆压力0-7Mpa往复次数0-41次/min浆缸直径130mm电机功率15KW整机质量468Kg六、技术关键1.灌浆孔、注浆孔灌浆孔利用架棚期间预留灌浆管；注浆孔按照设计要求，先对巷道进行打眼，并把注浆锚杆固定到所打孔眼内，根据每班注浆情况，确定本班打注浆锚杆数量，原则上同列锚杆（灌浆管）一次可注4根，同排锚杆（灌浆管）的注浆顺序由巷道下部至拱顶。2注浆工艺流程把水泥和水倒入储液箱内（容积不小于0.15m³），使用人工或机器进行搅拌，边搅拌边进行注浆。注浆地点与拌料地点间距不得低于5m，注浆人员及拌料人员原则上站在施工地点的巷道上方进行作业，然后由注浆泵吸入泵内，通过注浆锚杆（灌浆管）压注到巷道壁后。1）注浆前的准备工作把注浆使用的注浆泵及注浆材料准备齐全，高压管路、球阀、直通接头、扳手、备用抗震压力表（量程0-16Mpa为宜）等，保证施工进度。2）注浆系统试运转注浆系统形成后必须进行以下试运转检查工作：笼头吸浆是否正常，注浆泵运转是否正常；各部件连接是否牢固，压力表是否灵敏及同步；注浆管是否漏水，固定是否牢固；在每次注浆之前，必须做压水实验，以便检查注浆管的注浆效果及浆孔周围巷道壁的裂隙出水情况。3）注浆（灌浆）（1）按规定的注浆工艺流程和注浆参数进行正式注浆。（2）停注时先关闭注浆泵，再打开泄压阀，最后用清水冲洗注浆管路。（3）在注浆过程中每班必须派专人负责严密监测巷道壁状况，发现异常情况，立即停止注浆并采取措施。4）常见事故及特殊情况处理（1）注浆中发现压力突降而吸浆量突然增大，或已注入一定量的浆液而注浆压力仍然不见回升时说明浆液进入空隙或裂隙泄露，此时应查明原因，可采取加大水泥浆浓度，缩短凝固时间等方法处理。（2）注浆中发现泵压骤增，可能是注浆管路堵塞，应立即停泵检查，找出原因及时处理，保证注浆工作顺利进行。（3）若巷道壁发现异常，有裂隙或掉块应立即停止注浆工作。七、支护效果分析 1巷道支护效果：按照上述支护方案对巷道进行支护施工后，对巷道围岩进行监测，通过监测发现巷道的两帮及顶底板变形量及变形速率都较小，具体情况如下：采用“锚网索喷+U型棚支架+滞后注浆”后，巷道收缩变形量较小，顶底板变形量和两帮收缩变形量分别小于125mm和100mm，21采区西回风西山连续4个月内基本上未发生变化。2巷道支护经济效益：21采区西回风下山采取原有的支护方式，巷道每米的材耗为3700元，巷道每米的程造价为6500元，巷道每米投入为10020元。同时巷道后期新进行人工挑顶及重新锚网支护每米材耗为1400元，每米修巷的工程造价为1200元，按照修巷+原有巷道支护共计投入13620元/m。采用新型的支护方式每米的材耗为5000元，巷道每米的工程造价7214元，合计投入为12214元/m，同时后期投入大量人工进行修复，工期受到相应的影响。巷道设计投入量每米较少1406元，巷道设计为650m,累计少节约投入费用为913900元。八、结论通过对该软岩巷道变形的理论分析，确定了“锚网索喷+U型棚支架+滞后注浆”联合支护方案，经过连续四个月的现场观测巷道围岩变形量和变形速率得到了有效控制，新的联合支护方满足该地质条件下巷道支护刚度和支护强度的要求。